焊錫接點故障的 5 大原因

焊錫接點可靠度通常是電子系統設計中的痛點。影響焊錫接點可靠度的因素很多，其中的任何一個因素都會大幅縮短焊點壽命。在設計和製造過程中正確識別和降低焊錫接點故障的潛在原因，可以防止產品生命週期的後期出現成本高昂且難以解決的問題。此處說明了一些最常見、需要考量的焊錫接點故障因素。

於焊錫疲勞的原因與預防一文中，了解有關如何防止電子元件焊錫疲勞的更多資訊。

1. 來自灌膠、底部填膠和三防膠的非預期應力

例如，若對組件進行浸塗，塗層將在球柵陣列 (BGA) 和四平面無引線 (QFN) 等元件下方流動。並隨著熱循環過程中膨脹，再熱漲冷縮的過程中可能將元件「抬離」電路板，進而對焊錫接點增加額外的拉伸應力。

某些元件安裝條件和灌膠/塗層應用技術可能會在元件焊錫接點上產生不必要的應力 — 例如拉伸應力。依據所用灌膠/塗層的材料特性，這些應力可能大到足以對焊錫接點的疲勞極限產生巨大影響。

指定灌膠或塗層時所要考慮最重要的材料特性是玻璃轉化溫度、模數和熱膨脹係數 — 高於和低於玻璃轉化溫度。玻璃轉化溫度是指材料在硬/玻璃狀和軟/橡膠狀稠度之間轉變的溫度。

於焊錫疲勞的原因與預防措施部落格文章中，了解更多有關玻璃轉化對灌膠、塗層和底部填膠的影響。

灌膠最常見的問題之一是在產品設計過程中，使用不熟悉的材料，其材料與非預期的高玻璃轉化溫度相互作用，而引發問題。在一些用於電子灌膠的聚合物中，當材料冷卻低於其玻璃轉化溫度時，彈性模數可增加 20 倍。

如果熱循環延伸至低於此種材料的玻璃轉化溫度，則焊錫在冷停留期間所經歷的應力及由此產生的潛變應變將會很高且具有破壞性。此效應會大大降低疲勞壽命。

此處所提及的範例只是部分複雜且有害的負載情況，這些情況可能是因未全面了解灌膠、塗層或底部填膠材料的熱和機械材料的特性而造成。

觀看下方的網路研討會錄影，了解與灌膠和塗層相關的可靠度問題。

討論塗料和灌膠的網路研討會。

2. 意外的溫度循環極限

無預期焊錫接點故障的另一個常見原因是對電子系統所產生溫度循環參數的特性，進行錯誤的分析。例如，開/關循環、陽光直射、在不同氣候和其他幾個來源之間的往返可能會對組裝電路板 (PCBA) 或元件增加意想不到的溫度波動。

如要產生最準確的電子系統可靠度指標，在執行有限元素分析 (FEA) 模擬或物理產品鑑定之前，需要對其經歷的溫度循環進行詳細特性分析。

Ansys Sherlock 團隊已成功利用 Blattau 模型生成疲勞壽命預測。該模型是一個能量型的半經驗模型，顯示疲勞極限高度依賴於溫度範圍、停留時間和升溫速率。若於設計或測試過程中未充分了解斜坡、停頓、最高溫度和最低溫度，則可能會忽略影響產品可靠度的關鍵因素。

此外，若組件包含灌膠或其他聚合物，則若無法精準決定最高和最低溫度，上述玻璃轉化問題的風險便會增加。

3. 機械過度應力事件

當焊錫接點在機械事件(例如衝擊、摔落、電路電性測試、電路板分板、連接器插入或 PCBA 插入) 期間承受過大負載時，就會發生機械過度應力故障。

過度應力故障可能難以預防，因為此類故障通常難以預測。衝擊測試研究建議，最好的解決方案是對此類故障進行隨機故障分佈。

介面金屬連接 (IMC) 的斷裂

焊錫接點過度應力故障通常會顯示出焊盤坑裂或介面金屬連接處 (IMC) 的接頭斷裂。焊盤坑裂是焊錫接點銅焊盤下方層壓板層中的坑狀裂縫。IMC 是銅焊盤和焊錫結合形成Cu₃Sn 或Cu₆Sn_{5 的區域}。其為焊錫接點最易碎的區域，也就是為什麼這是最容易受到過度應力影響的區域。

這類故障通常會出現在更細間距的元件 (主要是 BGA) 或使用特別易碎的層壓板時。焊盤坑裂是個嚴重的問題，因為其通常會造成斷裂痕。與通常經由焊錫接點主體產生的疲勞裂縫相比，當機械過度應力故障，導致接頭斷裂時，其通常會沿著介面金屬連接處 (IMC) 發生。

由於機械事件故障可能高度依賴於 PCB 邊界狀況和幾何形狀，因此通常會建議使用 FEA 來預測機械過度應力風險。使用其他方法很難預測複雜的負載情況或電路板形狀。此外，FEA 允許應變和曲率量化。

此網路研討會提供寶貴資訊，討論如何減少電子組件的衝擊相關故障。

網路研討會錄影 — 保證可靠度分析結果
與機械衝擊。

4. PCBA 過度約束條件

鎖定PCB會影響電路板的結構剛性性並產生電路板應變，進而造成離固定位置過近的元件過早出現焊錫接點故障。此外，安裝點的整體佈局將會直接影響 PCBA 可能的模態形狀。

若不了解這些模態形狀，則電路板的設計方式可能會將敏感元件放置於電路板的高應變區域中。FEA 是解決此問題的強大工具，可讓使用者迭代不同的安裝條件。

元件鏡像是另一種常見的過度約束條件，會對焊錫接點壽命產生負面影響。鏡像是指在PCBA 兩側的地方，位於相似位置的兩個元件。

模擬控制板和鏡像板

鏡像藉由限制電路板運動來降低元件的封裝合規性，這會在焊錫接點中產生額外的應力。研究建議，元件鏡像可將疲勞壽命降低 2 或 3 倍。

此網路研討會提供寶貴資訊，討論了系統等級對焊錫接點可靠度的影響。

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討論對 焊錫接點可靠度的系統等級影響。

5. 焊接缺陷

如果焊錫接點的品質不佳，上述所有緩解策略皆無法防止焊錫接點可靠度問題。基於這個原因，必須使用具有嚴格控制流程且信譽良好的製造商來建構 PCBA。

多樣態的焊錫接點瑕疵，可能將對可靠度產生負面影響。在進入PCBA實際製造前 ，應對焊錫接點進行橫截面及目測檢查，以確保達到製造品質標準。

IPC，即國際電子工業聯接協會，為所有類型的焊錫接點提供製造標準和可接受性標準。此被公認為建立高品質焊錫接點的產業標準。

Ansys Sherlock 是緩解焊錫故障的另一個有效工具。其為一種自動化設計分析軟體解決方案，可提供基於可靠性物理和故障物理 (PoF) 的電子設計。如要了解其如何幫助預測焊錫疲勞，請參閱 Ansys Sherlock：自動化設計分析。

或觀看網路研討會錄影：可靠度物理分析簡介。